CN103792501B - 一种桥接式石墨烯基磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥接式石墨烯基磁传感器，包括第一桥墩组件、第二桥墩组件及架设于第一桥墩组件和第二桥墩组件上的桥梁石墨烯层，第一桥墩组件由第一桥墩石墨烯层、自由铁磁层和公共电极由上至下依次排列而成，第二桥墩组件由第二桥墩石墨烯层、固定铁磁层和偏置电极由上至下依次排列而成；桥梁石墨烯层的上方设有绝缘层，绝缘层的上方设置操控电极。本发明具有结构简单紧凑、体积小、成本低廉、制作方便、具有高分辨力等优点。

Description

一种桥接式石墨烯基磁传感器

技术领域

本发明主要涉及到弱磁场测量技术领域，特指一种采用石墨烯设计的桥接式结构的磁场传感器。

背景技术

弱磁场测量广泛应用于目标探测、地磁导航、磁存储器、地质勘探、生物医学等军事和国民经济领域。现有技术中用于微弱磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、光泵式磁传感器、质子式磁传感器、光纤磁传感器、巨磁阻抗磁传感器、AMR（AnisotropicMagnetoresistive，各向异性磁阻）磁传感器、GMR（GiantMagnetoresistive，巨磁阻）磁传感器、MTJ（MagneticTunnelJunction，磁隧道结）磁传感器等。其中，AMR、GMR和MTJ磁传感器是相比其他类型的磁传感器明显具有体积小、功耗低、易批量生产等特点。但是以AMR为敏感元件的磁传感器使用时需要设置set/reset线圈对其进行预设-复位操作，造成其制造工艺的复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以多层膜GMR为敏感元件的磁传感器响应曲线呈偶对称，只能测量的磁场大小，不能反映磁场的方向。MTJ元件利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应（TunnelMagnetoresistance，TMR）对磁场进行感应，比之前发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率、更高的灵敏度和更好的温度稳定性。

1975年Julliere在Fe/Ge/Co隧道结中观察到当两铁磁层磁化方向平行或反平行时，隧道结将具有不同的电阻值（JulliereM.TunnelingBetweenFerromagneticFilms.PhysLettA,1975,54(3):225-226)。这种因外磁场改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其电阻变化的现象，称为磁隧道结效应。Fe/Ge/Co隧道结低温下的磁阻变化率高达14%，但在室温下却很小。在随后的30多年中人们对MTJ进行了系列深入研究。1995年Miyazaki小组实现了磁隧道结研究的突破性进展（MiyazkiT,TezukaN.GiantmagnetictunnelingeffectinFe/Al₂O₃/Fejunction.J.Magn.Magn.Mater.,1995,139:L231），首次在Fe/Al₂O₃/Fe隧道结中发现在室温和几毫特磁场下的磁阻变化率高达15.6%，低温下更高，约为23%。2008年，S.Ikeda等制备的MgO基MTJ在室温下的磁阻变化率达到了604%，5K低温下则达1144%（S.Ikeda,J.Hayakawa,Y.Ashizawa,Y.M.Lee,K.Miura,H.Hasegawa,M.Tsunoda,F.Matsukura,andH.Ohno,Appl.Phys.Lett.2008,93:082508），这一记录性的实验结果已接近MgO基MTJ的理论预测值。

通过对MTJ的几十年发展历程的分析可以得出：中间势垒层对磁隧道结的发展具有极为重要的推动作用，势垒层从早期的Ge到Al₂O₃，再到MgO，在铁磁层基本不变的情况下，磁隧道结的磁阻变化率近似呈指数级提高，这一发展规律激发了人们对势垒层的关注和研究；制备工艺对磁隧道结的性能影响很大，研究人员在分析磁隧道结噪声特性时发现，势垒层在制备过程中存在的不一致性、针孔等缺陷会产生1/f噪声，限制了MTJ磁传感器的低频磁场测量能力。

最近2-3年采用新材料石墨烯设计新型磁传感器已成为小型化磁传感器的一个研究热点。例如：2011年日本名古屋大学的SHonda等人从理论上计算了不同结构条件下铁磁/锯齿形边缘石墨烯/铁磁型横向磁隧道结的磁阻变化率，结果表明石墨烯作为横向磁隧道结的中间结构能够得到很大的磁阻效应（T.Hiraiwa,R.Sato,A.Yamamura,J.Inoue,S.Honda,andH.Itoh.EffectsofMagneticContactsonMagnetoresistanceinFM/Graphene/FMLateralJunctions.IEEETransanctionsonMagnetics,Vol.47,No.10,October2011）；2012年美国海军研究实验室最新研究了一种以石墨烯为势垒层的磁隧道结，并制备了相应的样品，测试发现由于存在铁磁/石墨烯界面氧化等问题，磁阻变化率远低于理论预测值（EnriqueCobas,AdamL.Fridaman,OlafM.J.van’tErve,JeremyT.Robinson,andBerendT.Jonker.GrapheneAsaTunnelBarrier:Graphene-BasedMagneticTunnelJunctions.NanoLetters,2012,12,3000-3004）。

上述采用石墨烯研制磁传感器的方式具有很多的发展前景，但是目前尚存以下一些问题：

（1）现有的石墨烯基磁传感器绝大多数基于三明治磁隧道结结构设计，磁传感器制作过程中存在界面氧化等问题，使得磁阻变化率很低，影响了传感器的分辨力。

（2）现有的石墨烯基磁传感器结构上难以通过电场操控来改进界面特性，进一步提高传感器的磁阻变化率。

（3）现有的石墨烯基磁传感器大都是采用单晶石墨烯，但是单晶石墨烯尺寸目前还难以达到圆片级尺寸。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、体积小、成本低廉、制作方便、具有高分辨力的桥接式石墨烯基磁传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种桥接式石墨烯基磁传感器，包括第一桥墩组件、第二桥墩组件及架设于第一桥墩组件和第二桥墩组件上的桥梁石墨烯层，所述第一桥墩组件由第一桥墩石墨烯层、自由铁磁层和公共电极由上至下依次排列而成，所述第二桥墩组件由第二桥墩石墨烯层、固定铁磁层和偏置电极由上至下依次排列而成；所述桥梁石墨烯层的上方设有绝缘层，所述绝缘层的上方设置操控电极。

作为本发明的进一步改进：所述自由铁磁层的磁矩方向随外磁场的改变而改变，所述固定铁磁层的磁矩方向固定在特定方向。

作为本发明的进一步改进：所述自由铁磁层为铁、钴、或镍。

作为本发明的进一步改进：所述固定铁磁层包括铁磁层和钉扎层，所述钉扎层为硬磁性材料制备。

作为本发明的进一步改进：所述桥梁石墨烯层为单层石墨烯。

作为本发明的进一步改进：所述第一桥墩石墨烯层和第二桥墩石墨烯层为一至三层石墨烯。

作为本发明的进一步改进：所述公共电极、偏置电极和操控电极通过引线连接到封装管壳引线框的封装引脚上或ASIC专用集成电路。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的桥接式结构石墨烯基磁传感器，综合利用了石墨烯极好的导电能力和电子自旋输运能力，使得石墨烯基MTJ具有更高的磁阻变化率，并且通过操控电场进一步提高磁阻变化率，从而大大提高磁传感器磁场测量灵敏度。

2.本发明中所用的石墨烯可以采用单晶石墨烯，也可以采用多晶石墨烯，并且对传感器的性能影响不大，目前单晶石墨烯制备尺寸有限，但是制备的多晶石墨烯尺寸很大，可以满足传感器圆片级制造。

3.本发明设计的磁传感器具有体积小、功耗低等优点，并且传感器整体结构简单，制造方便，可有效降低磁传感器的制作成本。

附图说明

图1是本发明中桥接式石墨烯基磁传感器结构原理示意图。

图2是制备本发明桥接式石墨烯基磁传感器时的制备原理示意图。

图3是本发明中当桥墩石墨烯层为一层石墨烯时，传感器磁阻变化率与操控电极施加电压的关系曲线示意图。

图例说明：

1、操控电极；2、绝缘层；3、桥梁石墨烯层；41、第一桥墩石墨烯层；42、第二桥墩石墨烯层；5、自由铁磁层；6、公共电极；7、偏置电极；8、固定铁磁层；9、基底；101、钉扎层；102、铁磁层；A、自由铁磁层磁矩方向；B、固定铁磁层磁矩方向。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的桥接式石墨烯基磁传感器，包括第一桥墩组件、第二桥墩组件及架设于第一桥墩组件和第二桥墩组件上的桥梁石墨烯层3，第一桥墩组件由第一桥墩石墨烯层41、自由铁磁层5和公共电极6由上至下依次排列而成，第二桥墩组件由第二桥墩石墨烯层42、固定铁磁层8和偏置电极7由上至下依次排列而成；桥梁石墨烯层3的上方设有绝缘层2，绝缘层2的上方设置操控电极1。在这种结构中，自由铁磁层5的磁矩方向A随外磁场的改变而改变，固定铁磁层8的磁矩方向B固定在特定方向，在正常工作条件下是不会改变的。本发明桥接式石墨烯基磁传感器的电阻值为偏置电极7与公共电极6之间的电阻值，当自由铁磁层5的磁矩方向A与固定铁磁层8的磁矩方向B顺向平行时，传感器的电阻为低电阻态；当自由铁磁层5的磁矩方向A与固定铁磁层8的磁矩方向B反向平行时，传感器电阻为高电阻态，正常工作时传感器的电阻随着测量磁场的变化在高阻态和低阻态之间线性变化。

本实施例中，自由铁磁层5由铁、钴、镍等铁磁性材料组成，优先选则镍材料。固定铁磁层8由铁磁层102和钉扎层101组成，钉扎层101选用硬磁性材料制备。桥梁石墨烯层3为单层石墨烯，第一桥墩石墨烯层41和第二桥墩石墨烯层42为一至三层石墨烯，该磁场传感器的三个电极层（公共电极6、偏置电极7和操控电极1）可以通过引线连接到封装管壳引线框的封装引脚上或ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，专用集成电路）。

如图2所示，为本发明桥接式石墨烯基磁传感器在制备时的示意图，该传感器制造工艺按图中所示从底层到顶层的过程进行。基底9通常选用硅、石英、玻璃或者是其他能够晶圆集成的任何材料，硅加工工艺成熟并且由于易于加工为集成电路成为最好的选择。操控电极1、偏置电极7和公共电极6通常采用非磁性的优良导电材料，例如铜、铝、金、银等，可以通过蒸镀、磁控溅射等工艺将操控电极1制备在基底9上。绝缘层2采用二氧化硅、三氧化而铝、氮化硅等材料，利用电子束蒸发或化学气相沉积的方式制备。桥梁石墨烯层3是单层石墨烯，利用标准转移工艺，将其转移在绝缘层2之上，再光刻、刻蚀得到所需形状和尺寸。第一桥墩石墨烯层41和第二桥墩石墨烯层42是单层或多层石墨烯，先通过光刻，用光刻胶覆盖非桥墩区域，再采用标准工艺转移石墨烯，然后再一次光刻定义桥墩图形并等离子刻蚀，最后去掉所有光刻胶后即可得到。用来构成自由铁磁层5的铁磁层102采用铁、镍、钴和软铁磁合金（如镍铁、钴铁硼）等材料，制备方式为电子束蒸发和磁控溅射等，最后通过光刻、刻蚀得到所需形状和尺寸。用来构成固定铁磁层8中的钉扎层101为铱锰、铂锰等硬磁合金膜材料，制备方法同自由铁磁层5。偏置电极7和公共电极6皆为导电金属材料，通常为钛、金等，制备方法同自由铁磁层5。

如图3所示，为本发明中当第一桥墩石墨烯层41和第二桥墩石墨烯层42为一层石墨烯时，传感器磁阻变化率与操控电极1所施加电压的关系曲线。可以看出，在其它条件不变的情况下，通过改变操控电极1与公共电极6之间的操控电压可以改变传感器的磁阻变化率，也就改变了传感器的灵敏度。因此通过合理调整操控电压，可以显著地提高传感器的灵敏度。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种桥接式石墨烯基磁传感器，其特征在于，包括第一桥墩组件、第二桥墩组件及架设于第一桥墩组件和第二桥墩组件上的桥梁石墨烯层（3），所述第一桥墩组件由第一桥墩石墨烯层（41）、自由铁磁层（5）和公共电极（6）由上至下依次排列而成，所述第二桥墩组件由第二桥墩石墨烯层（42）、固定铁磁层（8）和偏置电极（7）由上至下依次排列而成；所述桥梁石墨烯层（3）的上方设有绝缘层（2），所述绝缘层（2）的上方设置操控电极（1）。

2.根据权利要求1所述的桥接式石墨烯基磁传感器，其特征在于，所述自由铁磁层（5）的磁矩方向随外磁场的改变而改变，所述固定铁磁层（8）的磁矩方向固定在特定方向。

3.根据权利要求1或2所述的桥接式石墨烯基磁传感器，其特征在于，所述自由铁磁层（5）为铁、钴、或镍。

4.根据权利要求1或2所述的桥接式石墨烯基磁传感器，其特征在于，所述固定铁磁层（8）包括铁磁层（102）和钉扎层（101），所述钉扎层（101）为硬磁性材料制备。

5.根据权利要求1或2所述的桥接式石墨烯基磁传感器，其特征在于，所述桥梁石墨烯层（3）为单层石墨烯。

6.根据权利要求1或2所述的桥接式石墨烯基磁传感器，其特征在于，所述第一桥墩石墨烯层（41）和第二桥墩石墨烯层（42）均为一至三层石墨烯。

7.根据权利要求1或2所述的桥接式石墨烯基磁传感器，其特征在于，所述公共电极（6）、偏置电极（7）和操控电极（1）通过引线连接到封装管壳引线框的封装引脚上或ASIC专用集成电路。